堅(jiān)硬頂板煤層條帶開采的采留寬度

路占元， 郝 鑫， 劉利平

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

堅(jiān)硬頂板煤層條帶開采的采留寬度

路占元， 郝 鑫， 劉利平

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

針對(duì)堅(jiān)硬厚層頂板煤層采用長壁開采容易形成大面積懸頂?shù)膯栴}，根據(jù)黑龍江省某礦地質(zhì)條件，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬方法，研究了條帶開采的合理采留寬度。結(jié)果表明，該礦條帶開采采出寬度為30 m，煤柱留寬為21.73 m較為合理，條帶煤柱穩(wěn)定性較好。理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果一致，為避免頂板大面積垮落、保護(hù)地面建筑物安全和礦井生產(chǎn)安全提供了依據(jù)。

堅(jiān)硬頂板;條帶開采;采寬;留寬;數(shù)值模擬

條帶開采法是一種部分開采方法［1］，就是將被開采的煤層劃分成比較正規(guī)的條帶形狀，采一條，留一條，使留下的條帶煤柱足以支撐上覆巖層的重量，而地表只產(chǎn)生較小變形的一種特殊開采方法。目前，該方法已成為我國村莊下、重要建筑物下及不宜搬遷建(構(gòu))筑物下等“三下”壓煤開采的有效技術(shù)途徑之一［2－3］。長期以來，世界各國煤炭開采研究專家對(duì)煤柱強(qiáng)度進(jìn)行了大量的原位實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)合理的采留寬度是條帶法采煤保證煤柱長期穩(wěn)定及地面建筑物不發(fā)生劇烈變形和下沉的關(guān)鍵因素之一［4］。為此，筆者采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了黑龍江省某礦條帶開采的合理采留寬度，為預(yù)防煤層上覆堅(jiān)硬頂板大面積垮落提供了技術(shù)參考。

1 地質(zhì)概況

黑龍江省某煤礦開拓方式為片盤斜井，可采煤層數(shù)為1層，煤層傾角8°～12°，厚度2.73～5.04 m，平均厚度4.0 m，普氏巖石硬度系數(shù)值為2～3，賦存深度240 m左右。煤層無直接頂，頂板是厚層堅(jiān)硬含有鵝卵石的含礫砂巖且直接落在煤層之上?；夭晒ぷ髅鎻?qiáng)行推進(jìn)45 m時(shí)頂板懸梁發(fā)生初次斷裂垮落，壓垮了工作面設(shè)備，無人員傷亡，工作面恢復(fù)后繼續(xù)推進(jìn)，頂板不能隨采隨冒，有大面積懸頂，又因鉆孔施工極度困難而無法進(jìn)行強(qiáng)制放頂，隨即停采，改用了條帶法開采方法。

結(jié)合鉆孔資料和煤巖樣測(cè)定結(jié)果，整理得到煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 鉆孔煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Drilling specific physical and mechanical parameters of rock and coal

2 理論計(jì)算

2.1 條帶開采最大采出寬度

根據(jù)表1，將頂板看作“簡支梁”［5］驗(yàn)算其初次斷裂垮落步距，并確定條帶開采最大采出寬度。第一巖層(含礫砂巖)自身載荷q1為

計(jì)算到第二巖層(含礫凝灰質(zhì)粗砂巖)，則第一巖層的載荷為

同理，計(jì)算到第三巖層(沉凝灰?guī)r)，則第一巖層的載荷為

計(jì)算到第四巖層(含礫凝灰質(zhì)中細(xì)砂巖)，則第一巖層的載荷為

(q1)4＜(q1)3，表明第四巖層的自身強(qiáng)度很大，其自身載荷對(duì)第一巖層不起作用，應(yīng)考慮第一～三層對(duì)第一層載荷的影響，所以第一巖層所受載荷應(yīng)為146.04 kPa。第一巖層的極限跨距為

該計(jì)算值與生產(chǎn)實(shí)際(45 m)接近。為防止采寬過大引起直接頂即頂板斷裂跨落，應(yīng)加以限制，故考慮安全系數(shù)1.5，取條帶開采最大采寬不超過30 m。

2.2 條帶開采最小煤柱留寬

最大采寬取30 m的條件下，堅(jiān)硬礫巖頂板在條帶開采過程中不垮落，所以條帶煤柱處于單向應(yīng)力狀態(tài)，該狀態(tài)下煤柱留寬計(jì)算過程如下［4－5］。

煤柱塑性區(qū)寬度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式為

式中:bp——塑性區(qū)寬度;

h1——煤柱高度;

d0——上覆巖層總厚度。

計(jì)算可得

一般認(rèn)為煤柱核區(qū)的寬度bs≥8.4 m，則條帶開采保證煤柱穩(wěn)定性的可靠計(jì)算公式為

式中:ba——煤柱寬度。

經(jīng)計(jì)算，該處條帶煤柱寬度應(yīng)滿足ba≥18 m。

采用Hustrulid公式［6］可將實(shí)驗(yàn)室的煤樣測(cè)試單軸強(qiáng)度σc換算為原位臨界立方體煤塊的單軸強(qiáng)度σm，

式中:D——實(shí)驗(yàn)室試件直徑或立方體邊長。

運(yùn)用 Obert-Dwvall/Wang公式［5］計(jì)算煤柱的容許強(qiáng)度，

已知單向應(yīng)力狀態(tài)下條帶開采采留寬的比例關(guān)系必須滿足

式中:b——條帶采出寬度。

根據(jù)式(1)，求得b=30 m，b=25 m，b=20 m時(shí)的最小煤柱留寬限制條件分別為 ba≥21.73 m，ba≥19.87 m，ba≥17.83 m。由于ba至少取18 m才能保證煤柱的長期穩(wěn)定，故條帶寬度不能取20 m。而采出條帶寬度為25 m的巷道掘進(jìn)率比30 m的高，所以，該條件下的條帶采出寬度宜取30 m，條帶煤柱留寬應(yīng)大于21.73 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 極限跨距

利用RFPA軟件模擬頂板破斷垮落情況。采用水平位移約束作為模型的邊界條件，垂直方向上底部采用位移約束?？紤]巖體自重應(yīng)力的平面應(yīng)變模型，提取頂板試樣進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測(cè)定，經(jīng)過換算作為計(jì)算模型的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(見表1)進(jìn)行模擬。頂板破斷垮落情況如圖1所示。

圖1 頂板破斷垮落情況Fig.1 Situation of roof collapse

從圖1可以看出，工作面推進(jìn)到45 m時(shí)頂板完好不跨落;工作面推進(jìn)至46 m時(shí)頂板緩慢跨落，隨著時(shí)間的推移，頂板完全垮落。由此可以得出，該條件下條帶開采極限跨距為46 m，與生產(chǎn)實(shí)際和理論計(jì)算值接近。

3.2 條帶煤柱留寬

根據(jù)該礦的工程地質(zhì)條件，利用FLAC3D模擬軟件建立三維數(shù)值模型。為了更好地模擬地下巖體，模型采用位移控制邊界，x和y方向限制水平方向的位移，即邊界水平位移為零;模型底部限制垂直方向的位移，即底部邊界垂直位移為零;模型頂部為自由邊界。材料選用Mohr-coulomb模型，模型參數(shù)見表1。模擬條帶采出寬度(30 m)相同而條帶煤柱留寬不同(20、25、30、35 m)時(shí)煤柱垂直應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布［7－8］，結(jié)果如圖2、3所示。

從圖2a可以看出，條帶開采寬度30 m，煤柱寬度為20 m時(shí)，在煤柱的邊緣附近產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，煤柱中心位置的集中應(yīng)力值最大，集中應(yīng)力分布曲線類似拱形。從圖2b～2d可見，隨著條帶開采煤柱寬度不斷增大，最大集中應(yīng)力向煤柱邊緣轉(zhuǎn)移，從煤柱邊緣附近到煤柱中心位置集中應(yīng)力逐漸減小，集中應(yīng)力分布呈馬鞍形，此時(shí)條帶煤柱存在彈性區(qū)和塑性區(qū)，條帶煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。四個(gè)采出條帶上方應(yīng)力分布基本相同，類似橢圓形，應(yīng)力轉(zhuǎn)移到采空區(qū)兩側(cè)的煤柱上形成了應(yīng)力平衡拱，在采空區(qū)上方一定范圍內(nèi)垂直應(yīng)力幾乎為零，開采擾動(dòng)對(duì)上覆巖層的影響較小。

圖2 煤柱垂直應(yīng)力分布Fig.2 Distribution of coal pillar vertical stress

圖3 煤柱塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of coal pillar plastic zone

由圖3可以看出，條帶煤柱的寬度不同則煤柱的塑性區(qū)寬度也不同，條帶煤柱的塑性區(qū)寬度隨煤柱寬度的增大而減小;在相同載荷作用下，寬度較小的煤柱支承能力較弱，煤柱的穩(wěn)定性也較差。

為了提高回采率，降低掘進(jìn)率，應(yīng)盡量減少條帶煤柱留寬。在上述地質(zhì)條件下，黑龍江省某礦條帶開采采寬取30 m，留寬取21.73 m可獲得最高的回采率和最低的掘進(jìn)率。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)黑龍江省某礦地質(zhì)條件，分別采用理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬兩種方法研究了堅(jiān)硬頂板條件下的條帶開采采留寬度。結(jié)果顯示，該礦較合理的條帶采寬為30 m，煤柱留寬為21.73 m，對(duì)煤礦生產(chǎn)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

(2)合理采留寬度可以使條帶采煤法煤柱保持長期穩(wěn)定，從而保護(hù)地面建筑不被破壞。條帶采煤法不僅適用于三下開采，在多種采煤方法都行不通的特殊地質(zhì)條件下也可適用，因此，該采煤法的適用范圍可擴(kuò)大到難采煤層的開采，以解決開采難題。

［1］張華磊，王連國，趙明強(qiáng).條帶開采煤柱演化規(guī)律研究［J］.煤礦技術(shù)，2011(3):65－66.

［2］張華興，趙有星.條帶開采研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.煤礦開采，2000(3):5－7.

［3］張華興.條帶開采技術(shù)的新進(jìn)展［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2002.

［4］郭文兵，鄧喀中，鄒友峰.我國條帶開采的研究現(xiàn)狀與主要問題［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2004(8):80－96.

［5］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003:77－79.

［6］賈喜榮，王 麗.回采巷道煤柱臨界寬度理論計(jì)算方法［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(1):102－103.

［7］柴華彬，鄒友峰，郭文兵.村莊下傾斜煤層條帶開采方法研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008(5):56－60.

［8］田錦州.條帶開采計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2009.

Mining width to pillar with strip mining in coal seams with thick and hard roof

LU Zhanyuan， HAO Xin， LIU Liping
(College of Resources＆Environmental Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at addressing a large area of roof overhang due to longwall mining of coal seams with thick and hard roof，this paper is a research on the reasonable widths of strip mining by using theoretical calculations and numerical simulation，based on the geological conditions of one mine in Heilongjiang province.The results show that the mining width of 30 m and the more reasonable width of 21.73 m meant for coal pillar，produce a more stable strip pillar.The theoretical calculation is consistent with the numerical simulation results.This result provides a basis for avoiding the roof collapse，and protecting the safety of the ground buildings and ensuring mine production.

hard thick roof;strip mining;mining width;retaining width;numerical simulation

TD355

A

1671－0118(2011)05－0377－04

2011－08－25

路占元(1957－)，男，黑龍江省雞西人，教授，研究方向:采礦工程，E-mail:24976070@qq.com。

(編輯荀海鑫)